中交四航研究院突破深中通道海底隧道混凝土配制难题

  目前，地处粤港澳大湾区核心区域的超级工程——深中通道正加紧建设，为6月具备通车条件做最后冲刺。深中通道是集“桥、岛、隧、水下互通”为一体、当前世界上综合建设难度最高的跨海集群工程，全长约24公里，其中海底隧道的沉管段长5035米，采用钢壳混凝土新型组合结构建造，由32个管节加一个最终接头组成。作为深中通道海底隧道工程重要参建方之一，建筑央企中交四航局所属中交四航工程研究院有限公司（简称中交四航研究院）承担起钢壳沉管混凝土的研制工作。

  “深中通道海底隧道是国内首座采用钢壳混凝土组合结构建造的海底隧道。钢壳沉管采用自密实混凝土无需振捣均匀填充钢壳仓格，形成三明治型钢混组合结构。与传统的钢筋混凝土沉管结构相比，具有承载能力强、抗震适应性好和防水性能优异等优点。正因如此，国外有的国家沉管隧道采用了钢壳混凝土沉管建造，当然其虽已采用了该结构及形式，但可借鉴性不强，因为深中通道管节结构尺寸更大、内部构造和施工工艺更复杂、对混凝土的稳健性要求更高。翻阅资料发现国内国外都没有大型钢壳沉管参考案例。”中交四航研究院建材所总工邓春林介绍说。

  面对挑战，中交四航研究院自2015年开始，历时4年艰辛探索，经历了缩尺模型、浮态浇筑、足尺模型和模拟浇筑等系列试验，在2019年终于配制出钢壳沉管浇筑工艺的自密实混凝土“超级配方”，有力保障了深中通道钢壳混凝土沉管的顺利浇筑。

  深中通道隧道沉管采用内外双层钢壳、中间浇筑混凝土的“三明治”结构及形式，通过钢壳搭建起沉管的“筋骨”，在内部填充混凝土给沉管装上坚实的“肌肉”。“深中通道每节钢壳混凝土标准沉管，内部被分成了2255个仓格，每个小格子之间都是不连通的。为了加强结构的整体性，我们要在每个仓格内灌注一种高流动性的混凝土，这种混凝土就是自密实混凝土。”中交四航研究院建材所副总工于方介绍说，“一直以来，大家对混凝土的印象便是拿点水泥、砂子、石子再加点水搅拌一下，就可用来建造各种工程。但是将混凝土配制成这种高流动性的流体，甚至达到可以像水一样在任意容器中进行良好的填充却非易事。”

  自密实混凝土比较娇气，它的自流平性能和稳定能力受原材波动、出机时间、泵送距离和环境和温度等影响较大。为此，中交四航研究院建材所小组成员在项目前期开展了大量的自密实混凝土室内试验，经过了100余次的试验，才制备出工作性能好的自密实混凝土。

  室内实验成功还远远不足，要想真正检验性能还需要开展自密实混凝土足尺模型浇筑试验。早在2016年1月，中交四航研究院科研团队就在江门新会预制场开始了深中通道自密实混凝土沉管海上足尺模型浇筑试验。“那天新会突然来了一次寒潮，最低温度达到了1℃，我们连夜订购了50套防风外套。团队每个人都冻得面红耳赤，对讲机中的声音此起彼伏，每个人各司其职，最终保证了混凝土的顺利浇筑。”邓春林回忆道。

  与传统的混凝土沉管浇筑方法不一样，深中通道钢壳沉管是采用超长混凝土地泵设备做混凝土浇筑，即将混凝土通过一根根200米长的管子压入到一个个仓格内部。在此过程中，进入管子前和从管子泵出后的性能都要满足自流平的性能。然后，建材所团队在测试过程中发现传统的控制变量法已经不适用，迫切地需要提出一种新型的分析方法，才能建立比较准确的性能预测模型。为此，在E1-E4沉管施工全套工艺流程中，于方带领团队收集了上百个批次水泥、粉煤灰、矿渣粉等原材料的性能指标，以及2000余组自密实混凝土泵送前后的性能测试数据，历时大半年的时间，推翻了20余个方案，最终找到了一种合适的分析方法，量化了各种原材料的关键技术指标与混凝土性能的相关性，实现对混凝土原材料和混凝土工作性能质量动态控制。同时建立了泵送前后自密实混凝土性能的预测模型，提出了一套自密实混凝土稳健性控制的技术指标，形成了《深中通道钢壳沉管自密实混凝土配制及施工关键技术指南》，指导钢壳沉管顺利浇筑。

  “这套指南能够准确的通过原材料的指标以及混凝土的出机工作性能，预测泵送后的混凝土工作性能变化，实现原材料性能与混凝土的配比动态关联，以此来实现混凝土性能质量的动态控制。”邓春林介绍。

  “为了更精准地定量控制自密实混凝土的性能指标，我们还建立了自密实混凝土泵送前后性能与流变参数的关系，可通过测定泵前混凝土的流变参数预测泵送后的工作性能，实现了自密实混凝土性能指标的精确控制。”于方介绍说，“在自密实混凝土方面的研究，相关成果被纳入《水运工程自密实混凝土技术规范》《钢壳沉管自密实混凝土质量控制技术规范》等规范中，为今后我国钢壳沉管隧道提供技术指导。”

  “自深中通道建设以来，中交四航研究院建材团队便深耕其中，从设计、施工、质量控制等方面开展了大量的研究，研究成果全面纳入到工程设计和施工中，为工程建设提供了重要的技术支撑。”深中通道管理中心主任、总工程师宋神友表示。

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